双界面对称结构太阳能蒸发器：翻转可控盐沉积实现高效海水淡化新策略

本文创新性地开发了一种基于棉织物/MoS2复合材料的双界面对称结构太阳能蒸发器（DS-SFE），通过独特的沙漏形三维中空反螺旋架构实现了95.5%的太阳光吸收率和40.0 kg m?2的供水通量。在1太阳光照下，该装置在去离子水中蒸发速率达2.25 kg m?2 h?1，即使在15 wt%高盐度卤水中仍能保持1.75 kg m?2 h?1的稳定蒸发性能。其突破性的翻转设计通过每8小时手动旋转即可清除盐结晶，为极端盐度环境（20 wt% NaCl）下的可持续海水淡化提供了创新解决方案。

　　

2.1 DS-SFE的结构表征与材料特性

研究团队通过将二硫化钼（MoS_{22在15.2°、24.6°、41.2°和50.3°处出现纤维素特征衍射峰，证实了MoS2的成功负载。傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示3250 cm^?1处的羟基伸缩振动峰强度显著降低，表明MoS2纳米片通过氢键作用有效覆盖了纤维素表面的羟基。}

材料润湿性测试表明，原始棉织物完全润湿需要约10秒，而棉织物/MoS₂表现出超亲水性，水滴在0.15秒内即可完全铺展。这种显著的润湿性增强主要归因于：1）MoS₂纳米片引入的大量亲水位点；2）分级微纳表面结构增强的毛细效应。

光学性能测试显示，原始棉织物在250-2500 nm波长范围内的平均光吸收率仅为62.35%，而MoS₂改性后显著提升至92.55%。这主要得益于MoS₂固有的窄带隙（约1.8 eV）特性。反射光谱测试进一步证实，棉织物/MoS₂的平均反射率从37.65%降至7.45%，为高效光热转换奠定了材料基础。

能量色散X射线光谱（EDS）和元素 mapping 结果证实了C（来自纤维素）、O（来自纤维素和MoS₂表面氧化层）、S和Mo（来自MoS₂）在复合材料中的均匀分布。经过30次加速洗涤循环后，材料的K/S值保持稳定，表明MoS₂与纤维间具有强界面粘附力，确保了长期运行性能。

2.2 DS-SFE的光热蒸发性能

当棉织物/MoS₂组装成双界面对称结构蒸发器（DS-SFE）时，其独特的空心螺旋结构显著增强了空腔内的光多次反射效应。实验结果表明，该构型实现了高达95.53%的太阳光吸收率，显著提升了光热转换性能。

在1太阳光照下，DS-SFE表面温度在6.0分钟内从20°C升至37±1.5°C，并保持稳定。不同高度（1、2、3和4 cm）DS-SFE的供水通量分别为12.69、25.35、36.24和48.35 kg m^?2。不同直径（1、2.5、4.0和5.5 cm）样品的供水通量分别为12.13、26.56、36.12和40.25 kg m^?2。

蒸发性能测试显示，DS-SFE的蒸发速率随高度变化呈现非单调依赖性（1.63、1.88、2.25和2.17 kg m^?2 h^?1）。这种先升后降的趋势可归因于竞争机制：适度增加高度通过毛细作用提高供水效率并保持界面温度，但过度供水会导致更大的热损失，未蒸发的液态水可能形成导电路径，从而降低能量利用效率。

最终优选配置（H=3 cm，R=4 cm）在1太阳光照下实现了2.25 kg m^?2 h^?1的蒸发速率，且连续8个循环保持稳定性能。随着光照强度从0增加到2.0 kW m^?2，蒸发速率从1.33显著提升至3.61 kg m^?2 h^?1。

2.3 DS-SFE的耐盐性能

使用不同浓度盐水（3.5、5、10和15 wt%）进行的室内脱盐测试表明，DS-SFE表现出卓越的耐盐性能。在20.0 wt% NaCl溶液中连续运行6小时后，装置表面开始出现盐结晶。盐结晶主要积聚在蒸发器上部区域，呈现从上到下密度递减的梯度分布模式。

由于棉纤维/MoS₂复合材料具有优异的亲水性和吸水性能，即使在20.0 wt%盐水中长时间运行后，DS-SFE系统仍能保持稳定可靠的脱盐性能。纤维上的天然裂缝、纤维结构内部的空心通道以及曲折的纤维间空间共同提供了丰富的水传输路径。独特的柱状结构形成的互联多孔纤维网络促进了离子迁移和稀释，防止盐颗粒成核，并通过与本体盐水的自发离子交换表现出持续的耐盐性能。

通过每8小时180°轴向旋转DS-SFE蒸发器，使先前沉淀在顶侧的盐晶体溶解，同时在新鲜的下表面恢复光热蒸发。40小时连续蒸发测试表明，盐结晶仅出现在外围区域，而中心蒸发区保持无盐状态。蒸发速率稳定保持在1.72 kg m^?2 h^?1，证实了DS-SFE通过动态翻转和径向盐分流机制实现长期稳定脱盐。

2.4 DS-SFE的户外实验

户外实验使用15%盐水进行，每日测试时间从8:00至17:00。数据显示，环境平均温度超过30°C，平均太阳辐照度高于0.8 kW m^?2。在此条件下，平均蒸发速率达到1.88 kg m^?2 h^?1，每日产生约29 L m^?2淡水，足以满足5-6人每日饮用水需求。

电感耦合等离子体光学发射光谱（ICP-OES）分析表明，经过DS-SFE处理后，钙、镁、钠和钾离子浓度显著降低，远低于世界卫生组织饮用水质量标准。有机染料（分散蓝E-4R、甲基橙和酸性罗丹明B）的颜色强度在蒸发冷凝后逐渐褪色，表明DS-SFE具备处理有机染料废水的能力。

DS-SFE在恶劣化学环境（包括酸（CH₃COOH）和碱（NaOH）条件下仍表现出优异性能。经过15天户外暴露后，DS-SFE保持其弹性并维持高效的光热转换，突出了其鲁棒性和长期运行稳定性。

3 结论

本研究通过将MoS₂、多巴胺和缓冲溶液集成到棉织物上，开发了一种双界面对称织物蒸发器（DS-SFE），实现了高效耐盐的太阳能界面蒸发（SIE）系统。DS-SFE具有卓越的太阳光吸收率（95.5%）和增强的供水通量能力（40.0 kg m^?2），在1太阳光照下纯水中达到2.25 kg m^?2 h^?1的优异蒸发速率。创新性的结构设计确保了在极端盐度条件（20 wt% NaCl）下的持续性能，仅需每8小时定期手动旋转即可促进盐重新分布和去除，支持连续高效运行。